Генетическая инженерия высших организмов.

конструирование новых форм на уровне
целых организмов.

С незапамятных времен человек скрещивает между собой растение, животных, отбирает лучших потомков, конструируя таким образом новые формы и породы с сочетанием полезных признаков и свойств. С развитием науки, в особенности генетики, когда стали известны законы наследования признаков, появилась возможность планировать опыты и заранее предсказывать, с какой частотой будут появляться в потомстве нужные нам особи. Ученые научились увеличивать и уменьшать число хромосом в клетках и таким образом получать иногда новые формы растений и животных.

В настоящее время путем манипулирования целыми наборами хромосом получено много новых ценных сортов растений. Разработанная мутационная теория дала возможность воздействия на организм и отдельные клетки радиацией, некоторыми химическими веществами, в результате чего можно резко увеличить естественный мутационный процесс. Метод искусственного мутагенеза нашел широкое распространение в селекции микроорганизмов, в селекции растений. Конструирование новых многоклеточных организмов методами генной инженерии начинается с манипуляций на отдельных клетках. Затем из измененных клеток выращивают целые организмы, несущие новые свойства.

Выращивание клеток в пробирке.

Первыми клетками, которые удалось заставить жить в искусственных условиях, были клетки, взятые не у растения, а у животных. Выделенные из организма лягушки нервные клетки росли и развивались на искусственной питательной среде несколько недель (1907г.). В настоящее время у любого млекопитающего можно получить клоны клеток, которые безгранично могут жить, делиться, расти на питательных средствах в пробирках. Но пока никому еще не удалось из отдельной соматической клетки млекопитающего регенерировать целый организм, хотя в принципе это вполне возможно, поскольку каждая клетка хранит в себе всю наследственную информацию. К тому же известно, что английскому ученому Дж Гердону удалось вырастить нормальных лягушек из клеток эпителия кишечника.

В отличие от культуры клеток животных искусственное культивирования клеток и ткани растений началось значительно позже, т. к. ученые долгое время не могли подобрать необходимую питательную среду для их развития и размножения. В настоящее время в различных лабораториях мира растут изолированные ткани многочисленных представителей растительного царства. Например, всем известны целебные качества "корня жизни" – женьшеня, но выращивать его очень трудно. Что бы получить 50 гр. Корня женьшеня, в естественных условиях требуется 50 лет, на специально созданных плантация – 6 лет, а вот в пробирочной культуре тот же "привес" массы получен за 6-7 недель! Использование пробирочной культуры женьшеня и других ценных лекарственных видов растений в фармакологии несомненно дает огромные выгоды человеку.

Клетка растений в отличие от клетки животного имеет очень плотную целолозно-пектиновую оболочку, которая затрудняет контакты клетки с окружающей средой. Если же удалить эту внешнюю оболочку, то содержимое клетки удерживается лишь внешне клеточной мембраны. Такие клетки называются протопластами. Изолированные (клетки) протопласты приобретают способность сливаться друг с другом, в результате чего может возникнуть гибридный протопласт, содержащий генетический материал от двух клеток. Таким образом из протопласт можно регенерировать уже целое растение, которое будет содержать чужеродный генетический материал и, следовательно, будет обладать новыми свойствами.

В генетической инженерии широко применяется гибридизация клеток в пробирке. Исключительно важной особенностью сливаемы соматических клеток животных и растений является то, что слияние одинокого легко происходит независимо от степени родства этих клеток. Известно, например, гибриды клеток: мышь х человек, цыпленок х человек, комар х человек, корова х норка и др.

В последние годы появилась возможность, не прибегая к методу гибридизации (скрещивания), пересаживать отдельные хромосомы от одного вида к другому с целью предания этому виду необходимых недостающих свойств. Однако целые чужие хромосомы в клетках данного организма не обнаруживаются. По-видимому, большая часть хромосом, проникших в клетку, разрушается и только отдельные гены чужеродного организма встраиваются в хромосомы данного организма и нормально функционируют.

Перенос отдельных генов.

Осуществить перенос генов бактерий в высшие организмы обладающие сформированным ядром (эукариоты), и обеспечить условие их работы – задача весьма заманчивая. И эта задача решается сейчас во многих лабораториях мира. Удалось перенести гены бактерий в отдельные клетки и даже вылечить от болезни. Но это касается только отдельных клеток, растущих вне организма, в лаборатории, на специально подобранных питательных средах. А возможно ли таким путем ввести чужеродные гены в целый организм? В медицинской практике давно уже пользуются таким методом лечения. Также с возможностью пересаживать отдельные гены в организм человека медики связывают большие надежды в лечении наследственных болезней. Но здесь возникает одна проблема. Дело в том, что врожденные дефекты наследственного аппарата несут, как правило, все без исключения клетки организма. Поэтому радикальное лечение возможно лишь для потомства больного. В этих целях необходимо пересадить здоровые гены на самых ранних стадиях развития эмбриона, что связано с извлечением яйца или оплодотворенной яйцеклетки.

Аналогичные разработки ведутся и в области растениеводства и животноводства. Техника улучшения растений, которая используется сейчас в широкой селекционной практике, заключается или в отборе ценных форм из широкого спектра самых разнообразных мутаций, возникающих случайно, или путем рекомбинации наследственного вещества (генов) при половых скрещиваниях (гибридизации). Животные, содержащие чужеродные гены, получили название трансгенных. Ученые ставили опыты на мышах как наиболее доступном и генетически изученном объекте. Главным результатом опыта было то, что трансгенная мышь росла в 2 раза быстрее, чем обычная. Каким же образом удалось ученым ускорить рост мышей? Одним из основных стимуляторов роста и деления клеток у животных и человека является гормон роста. Образуется он обычно в гипофизе. Ученые решили проверить, как будет вести себя чужеродный гормон роста в организме мыши. Структурный ген этого гормона ввели в яйцеклетку. Получили потомство, и оказалось, что гормон крысы вырабатывался в сердце, почках, печени, кишечнике, но не в гипофизе. При этом количество гормона в крови повышалось в несколько сотен раз по сравнению с нормальными мышами. Очевидно, поэтому некоторые мыши и вырастали великанами.

Трансгенные растения впервые были получены в 1982г. учеными из Института растениеводства в Кельне и компании Monsanto. Наиболее распространен перенос генов с помощью вируса, поражающего фитопатогенную бактерию Agrobacterium tumefaciens. Список растений, к которым успешно применены методы генной инженерии, составляет около 50 видов. На рис показаны два метода создания трансгенных растений. При использовании Agrobacterium вводимая ДНК (чужеродный ген) включается в бактериальную плазмиду. Бактериями, несущими химерную плазмиду, заражают клетки растений и переносят в них нужную ДНК.

Второй метод – так называемая ДНК – пушка – состоит в том, что растительные клетки бомбардируют металлическими частицами, покрытыми ДНК. В обоих случаях попавшая в клетку ДНК встраивается в ее хромосомы, затем клетка делится, и из нее регенерирует целое растение (рис. 1). Так, генные инженеры вывели трансгенные растения с удлиненным сроком созревания плодов. Такие помидоры, например, можно снимать с куста красными, не боясь, что они перезреют при транспортировке. Трансгенные растения картофеля и томатов устойчивы к колорадскому жуку, растения хлопчатника оказались устойчивыми к разным насекомым.

Рисунок 1.

В последние годы ученым удалось выявить некоторые генырегуляторы, которые принимают участие в реализации программы развития организма. Их называют хромогенами. Нельзя умолчать об онкогенах, которые обнаружены в нормальных клетках большинства организмов. Ученые предполагают, что онкогены не только порождают опухоли, но и участвуют в разлитии эмбриональных клеток. Введение изолированного онкогена в геном здорового животного дает возможность изучать отдельно стадии образования опухолей и наследственную предрасположенность к их возникновению. Поиск механизмов образования опухолей уже ведется и вселяет надежды на успех.

Новые возможности в генной инженерии открывает работа новосибирских и московских ученых "Адресованная модификация генетических структур" (Н.И. Гринева, Д.Г. Кнорре, Р.И. Салганик и З.А. Шаброва). Идея работы заключается в том, чтобы с помощью метагенеза между больным геном и химическим веществом получить возможность удалять из гена ненужное и вредное. Сначала был разработан способ модификации РНК в клетке: т.е. олигонуклеотид, снабженный реагентами, повреждал молекулу, ответственную за передачу информации, и синтез белка прекращался. Это был первый в мире способ антисмысловой генактивации (блокирования) матричной РНК.

Поясним, что в последовательности этой РНК зашифрована структура белка, поэтому она называется смысловой.

Затем стали использовать в качестве "инструментов" целые гены. В избранном гене возникали мутации, вследствие чего данный ген переставал работать. Но – и это важно подчеркнуть – только он один, в других генах изменений не было. Словом, был создан метод ген – направленного мутагенеза. Последующие исследования открыли возможность для работы с живыми клетками. В итоге злокачественные клетки, вновь становились нормальными, выздоравливали. Количество нормализованных клеток колебалось в разных опытах от 5 до 20% - сегодня это очень высокий результат. При делении эти клетки сохраняли свое вновь обретенное здоровье – передавали его по наследству. Это очень важный результат, он открывает путь борьбы с такими вирусными инфекциями, при которых гены вируса становятся частью генома клетки – палки хозяина; прервать работу таких провирусных генов невозможно никаким генным путем, только направленным мутагенезом. А среди вызываемых ими заболеваний есть и злокачественные, входит в их число и вирус иммунодефицита человека, вызывающий СПИД. З.А. Шабаровой (профессор МГУ) удалось обнаружить новые закономерности поведения связи между отдельными нуклеотидами одной и той же цепи ДНК. На этой основе был разработан химический метод сшивания (лигирования) олигонуклеотидов. Но Зоя Александровна пошла дальше – предложила собирать из нуклеотидов целые гены. Если несколько определенных оленуклеотидов смешать в растворе, то образуется такой же ген, как и в природе, только нити будут с дырками, поскольку собраны из кусков. Так бывает и в природе, но фермент (ДНК – лигаза) штопает эти дыры медленно. А, химически с помощью того же бромциана, это делается практически мгновенно. Из этого можно сделать вывод, что в ген можно ввести любую генетическую информацию. Гены с химией более устойчивы к разрушающему действию ферментов. В итоге стал возможен чисто химический синтез генов, и не трудно себе представить, какие возможности он открывает.